嵌入式軟件基礎(chǔ)

1、嵌入式軟件基礎(chǔ)主要內(nèi)容嵌入式軟件系統(tǒng)概述嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式軟件開發(fā)工具軟件系統(tǒng)n軟件(software)是計算機系統(tǒng)中與硬件(hardware)相互依存的另一部分，它包括程序(program)、相關(guān)數(shù)據(jù)(data)及其說明文檔(document)。 其中：n程序程序是按照事先設(shè)計的功能和性能要求執(zhí)行的指令序列；n數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)是程序能正常操縱信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；n文檔文檔是與程序開發(fā)維護和使用有關(guān)的各種圖文資料。軟件系統(tǒng)n軟件是一種邏輯實體，具有抽象性。 這個特點使它與其它工程對象有著明顯的差異。人們這個特點使它與其它工程對象有著明顯的差異。人們可以把它記錄在紙上、內(nèi)存、和磁盤、光盤上，但卻可以把它記

2、錄在紙上、內(nèi)存、和磁盤、光盤上，但卻無法看到軟件本身的形態(tài)，必須通過觀察、分析、思無法看到軟件本身的形態(tài)，必須通過觀察、分析、思考、判斷，才能了解它的功能、性能等特性考、判斷，才能了解它的功能、性能等特性。 軟軟件件產(chǎn)產(chǎn)品品的的特特性性n軟件沒有明顯的制造過程。 一旦研制開發(fā)成功，就可以大量拷貝同一內(nèi)容的副本。所以對一旦研制開發(fā)成功，就可以大量拷貝同一內(nèi)容的副本。所以對軟件的質(zhì)量控制，必須著重在軟件開發(fā)方面下工夫。軟件的質(zhì)量控制，必須著重在軟件開發(fā)方面下工夫。 n軟件在使用過程中，沒有磨損、老化的問題。 軟件在生存周期后期不會因為磨損而老化，但會為了適應(yīng)軟件在生存周期后期不會因為磨損而老化，但

3、會為了適應(yīng)硬件、環(huán)境以及需求的變化而進行修改，而這些修改有硬件、環(huán)境以及需求的變化而進行修改，而這些修改有不可避免的引入錯誤，導(dǎo)致軟件失效率升高，從而使的不可避免的引入錯誤，導(dǎo)致軟件失效率升高，從而使的軟件退化。當修改的成本變得難以接受時，軟件就被拋軟件退化。當修改的成本變得難以接受時，軟件就被拋棄。棄。n軟件對硬件和環(huán)境有著不同程度的依賴性。這導(dǎo)致了軟件移植的問題。n軟件的開發(fā)至今尚未完全擺脫手工作坊式的開發(fā)方式，生產(chǎn)效率低。n軟件是復(fù)雜的，而且以后會更加復(fù)雜。 軟件是人類有史以來生產(chǎn)的復(fù)雜度最高的工業(yè)產(chǎn)品。軟件涉及軟件是人類有史以來生產(chǎn)的復(fù)雜度最高的工業(yè)產(chǎn)品。軟件涉及人類社會的各行各業(yè)、方

4、方面面，軟件開發(fā)常常涉及其它領(lǐng)人類社會的各行各業(yè)、方方面面，軟件開發(fā)常常涉及其它領(lǐng)域的專門知識，這對軟件工程師提出了很高的要求。域的專門知識，這對軟件工程師提出了很高的要求。 n軟件的成本相當昂貴。 軟件開發(fā)需要投入大量、高強度的腦力勞動，成本非常高，軟件開發(fā)需要投入大量、高強度的腦力勞動，成本非常高，風(fēng)險也大?，F(xiàn)在軟件的開銷已大大超過了硬件的開銷。風(fēng)險也大?，F(xiàn)在軟件的開銷已大大超過了硬件的開銷。 n軟件工作牽涉到很多社會因素。許多軟件的開發(fā)和運行涉及機構(gòu)、體制和管理方式等問題，還會許多軟件的開發(fā)和運行涉及機構(gòu)、體制和管理方式等問題，還會涉及到人們的觀念和心理。這些人的因素，常常成為軟件開涉及

5、到人們的觀念和心理。這些人的因素，常常成為軟件開發(fā)的困難所在，直接影響到項目的成敗。發(fā)的困難所在，直接影響到項目的成敗。 嵌入式軟件系統(tǒng)的分類嵌嵌入入式式軟軟件件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件支撐軟件支撐軟件應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件控制、管理計算機控制、管理計算機系統(tǒng)的資源系統(tǒng)的資源嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式中間件（嵌入式中間件（CORBA、 Java）等等）等等輔助軟件開發(fā)的工輔助軟件開發(fā)的工具具系統(tǒng)分析設(shè)計工具系統(tǒng)分析設(shè)計工具仿真開發(fā)工具仿真開發(fā)工具交叉開發(fā)工具交叉開發(fā)工具測試工具測試工具配置管理工具配置管理工具維護工具等維護工具等面向應(yīng)用領(lǐng)域面向應(yīng)用領(lǐng)域手機軟件手機軟件路由器軟件路由器軟件交換機軟件交

6、換機軟件飛控軟件等飛控軟件等嵌入式軟件系統(tǒng)的分類n從運行平臺來分，嵌入式軟件可以分為n運行在開發(fā)平臺上的軟件運行在開發(fā)平臺上的軟件：設(shè)計、開發(fā)、測試工具等。n運行在嵌入式系統(tǒng)上的軟件運行在嵌入式系統(tǒng)上的軟件：嵌入式操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序、驅(qū)動程序及部分開發(fā)工具。嵌入式軟件系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)硬件硬件應(yīng)用層應(yīng)用層驅(qū)動層驅(qū)動層操作系統(tǒng)層操作系統(tǒng)層中間件層中間件層板級板級初始化初始化FLASH驅(qū)動驅(qū)動RTC/定時定時器驅(qū)動器驅(qū)動串口串口 驅(qū)動驅(qū)動以太網(wǎng)以太網(wǎng)驅(qū)動驅(qū)動LCD 驅(qū)動驅(qū)動鍵盤鍵盤驅(qū)動驅(qū)動其他其他驅(qū)動驅(qū)動內(nèi)核內(nèi)核TCP/IP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)文件文件系統(tǒng)系統(tǒng)嵌入式嵌入式GUI電源電源管理管理嵌入式嵌入式

7、CORBA嵌入式嵌入式JAVA嵌入式嵌入式DCOM面向應(yīng)用領(lǐng)域面向應(yīng)用領(lǐng)域的中間件的中間件應(yīng)用應(yīng)用任務(wù)任務(wù)1應(yīng)用應(yīng)用任務(wù)任務(wù)2應(yīng)用應(yīng)用任務(wù)任務(wù)n8驅(qū)動程序驅(qū)動程序9操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)10系統(tǒng)任務(wù)及消息隊列系統(tǒng)任務(wù)及消息隊列11API函數(shù)（應(yīng)用程序編程接口）函數(shù)（應(yīng)用程序編程接口）12用戶應(yīng)用程序用戶應(yīng)用程序嵌入式軟件運行流程上電復(fù)位上電復(fù)位系統(tǒng)升級系統(tǒng)升級引導(dǎo)引導(dǎo)/ /升級系統(tǒng)升級系統(tǒng)系統(tǒng)初始化系統(tǒng)初始化應(yīng)用初始化應(yīng)用初始化多任務(wù)應(yīng)用多任務(wù)應(yīng)用板級初始化板級初始化遠程升級遠程升級本地升級本地升級n基于多任務(wù)操作系統(tǒng)基于多任務(wù)操作系統(tǒng)的嵌入式的嵌入式軟件的主要運行流程軟件的主要運行流程n該運行流程

8、主要分為該運行流程主要分為5 5個階段個階段上電復(fù)位、板級初始化階段上電復(fù)位、板級初始化階段系統(tǒng)引導(dǎo)系統(tǒng)引導(dǎo)/升級階段升級階段系統(tǒng)初始系統(tǒng)初始化階段化階段 應(yīng)用初始應(yīng)用初始化階段化階段多任務(wù)應(yīng)多任務(wù)應(yīng)用運行階用運行階段段主要內(nèi)容嵌入式軟件系統(tǒng)概述嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式軟件開發(fā)工具概述嵌入式操作系統(tǒng)可以統(tǒng)稱為應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)的操作系統(tǒng)，它具有一般操作系統(tǒng)的功能，同時具有嵌入式軟件的特點，主要有：n可固化可固化 n可配置、可剪裁可配置、可剪裁 n獨立的板級支持包，可修改獨立的板級支持包，可修改 n不同的不同的CPU有不同的版本有不同的版本 n應(yīng)用的開發(fā)需要有集成的交叉開發(fā)工具應(yīng)用的開發(fā)需要有集成的交

9、叉開發(fā)工具嵌入式操作系統(tǒng)的演變10%*Kernel30%*KernelNetworkingFile System75%*KernelNetworkingFile SystemMultiprocessingMemory ManagementNetworking UtilityWindows APIApplicationApplicationApplicationApplicationKernelNetworkingFile SystemMultiprocessingFault ToleranceDistributed ObjectsAdvanced NetworkingAdvanced Inte

10、rconnectJavaBrowser / GUI嵌入式操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)n體系結(jié)構(gòu)是操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它定義了硬件與軟件的界限、內(nèi)核與操作系統(tǒng)其它組件（文件、網(wǎng)絡(luò)、GUI等）的組織關(guān)系、系統(tǒng)與應(yīng)用的接口。n體系結(jié)構(gòu)是確保系統(tǒng)的性能、可靠性、靈活性、可移植性、可擴展性的關(guān)鍵，就好比房子的梁架，只有梁架搭牢固了才提得上房子的質(zhì)量，再做一些錦上添花的工作才有意義。n目前操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)可分為：單塊結(jié)構(gòu)、層次結(jié)構(gòu)和客戶/服務(wù)器（微內(nèi)核）結(jié)構(gòu)。嵌入式操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)硬硬 件件系統(tǒng)服務(wù)系統(tǒng)服務(wù)用戶態(tài)用戶態(tài)核心態(tài)核心態(tài)應(yīng)用程序應(yīng)用程序應(yīng)用程序應(yīng)用程序單塊結(jié)構(gòu)單塊結(jié)構(gòu)嵌入式操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)硬件硬件基本進程管理

11、基本進程管理虛存管理虛存管理I/OI/O和設(shè)備管理和設(shè)備管理進程間通信進程間通信文件系統(tǒng)文件系統(tǒng)用戶用戶用戶模式用戶模式內(nèi)核模式內(nèi)核模式層次結(jié)構(gòu)層次結(jié)構(gòu)嵌入式操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)硬硬 件件進程服務(wù)進程服務(wù)用戶態(tài)用戶態(tài)核心態(tài)核心態(tài)應(yīng)用程序客戶應(yīng)用程序客戶內(nèi)存服務(wù)內(nèi)存服務(wù)微內(nèi)核微內(nèi)核文件服務(wù)文件服務(wù)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)顯示服務(wù)顯示服務(wù)發(fā)送發(fā)送應(yīng)答應(yīng)答客戶客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)（微內(nèi)核結(jié)構(gòu)）服務(wù)器結(jié)構(gòu)（微內(nèi)核結(jié)構(gòu)）嵌入式操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)n微內(nèi)核結(jié)構(gòu)的優(yōu)點n提供一致的接口提供一致的接口n可擴展性：擴展對新的軟件可擴展性：擴展對新的軟件/硬件支持硬件支持n靈活性：可伸縮靈活性：可伸縮n可移植性可移植性n分布式系統(tǒng)支持

12、分布式系統(tǒng)支持n適用于面向?qū)ο蟛僮飨到y(tǒng)環(huán)境適用于面向?qū)ο蟛僮飨到y(tǒng)環(huán)境n性能問題：n通過微內(nèi)核構(gòu)造和發(fā)送信息、接受應(yīng)答并解碼通過微內(nèi)核構(gòu)造和發(fā)送信息、接受應(yīng)答并解碼所花費的時間比進行一次系統(tǒng)調(diào)用的時間多所花費的時間比進行一次系統(tǒng)調(diào)用的時間多n很大程度取決于微內(nèi)核的大小和功能很大程度取決于微內(nèi)核的大小和功能嵌入式操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)應(yīng)用程序應(yīng)用程序任務(wù)管理任務(wù)管理硬硬 件件用戶擴展處理用戶擴展處理調(diào)度管理調(diào)度管理硬件抽象層硬件抽象層應(yīng)用編程接口應(yīng)用編程接口內(nèi)存管理內(nèi)存管理中斷管理中斷管理時鐘時鐘/ /定時器管理定時器管理I/OI/O管理管理出錯處理出錯處理同步、通信管理（消息隊列，信號量，事件，異步信

13、同步、通信管理（消息隊列，信號量，事件，異步信號號) )）DeltaCORE的體系結(jié)構(gòu)：層次模塊結(jié)構(gòu)的體系結(jié)構(gòu)：層次模塊結(jié)構(gòu)分分層層次次模模塊塊化化嵌入式操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)用戶模式用戶模式應(yīng)用應(yīng)用應(yīng)用應(yīng)用應(yīng)用應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)管理器網(wǎng)絡(luò)管理器圖形管理器圖形管理器設(shè)備管理器設(shè)備管理器文件系統(tǒng)管理器文件系統(tǒng)管理器網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動圖形驅(qū)動圖形驅(qū)動設(shè)備驅(qū)動設(shè)備驅(qū)動文件系統(tǒng)驅(qū)動文件系統(tǒng)驅(qū)動硬硬件件內(nèi)核模式內(nèi)核模式 內(nèi)核（微內(nèi)核）內(nèi)核（微內(nèi)核）QNX4.25的體系結(jié)構(gòu)：客戶的體系結(jié)構(gòu)：客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)服務(wù)器結(jié)構(gòu)嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式內(nèi)核嵌入式內(nèi)核嵌入式嵌入式TCP/IP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)嵌入式文件系統(tǒng)嵌入式

14、文件系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)的組成嵌入式內(nèi)核n內(nèi)核是嵌入式操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是必備的內(nèi)核是嵌入式操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是必備的部分。部分。n內(nèi)核還提供特定的應(yīng)用編程接口，但目前沒內(nèi)核還提供特定的應(yīng)用編程接口，但目前沒有統(tǒng)一的標準。有統(tǒng)一的標準。 任任務(wù)務(wù)管管理理內(nèi)內(nèi)存存管管理理通通信信同同步步與與互互斥斥機機制制中中斷斷管管理理時時間間管管理理任任務(wù)務(wù)擴擴展展嵌入式TCP/IPnTCP/IP協(xié)議已經(jīng)廣協(xié)議已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于嵌入式泛地應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中系統(tǒng)中n嵌入式嵌入式TCP/IP網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)系 統(tǒng) 提 供 符 合系 統(tǒng) 提 供 符 合TCP/IP協(xié)議標準的協(xié)協(xié)議標準的協(xié)議棧，提供議棧，提供Socket編程接

15、口。編程接口。n可剪裁可剪裁n“零拷貝零拷貝” 技術(shù)技術(shù)n采用靜態(tài)分配技術(shù)采用靜態(tài)分配技術(shù)Socket Socket 接接 口口 UDP UDP協(xié)議協(xié)議 TCP TCP協(xié)議協(xié)議 IP IP 協(xié)議協(xié)議 ICMP/IGMP ICMP/IGMP協(xié)議協(xié)議 網(wǎng)絡(luò)接口層網(wǎng)絡(luò)接口層 ARP/PPP ARP/PPP協(xié)議協(xié)議 以太網(wǎng)驅(qū)動以太網(wǎng)驅(qū)動 異步串口驅(qū)動異步串口驅(qū)動物物 理理 設(shè)設(shè) 備備應(yīng)用程序應(yīng)用程序/ /應(yīng)用協(xié)議應(yīng)用協(xié)議嵌入式文件系統(tǒng)n通用操作系統(tǒng)的文件系統(tǒng)通常具有以下功能：n提供用戶對文件操作的命令提供用戶對文件操作的命令n提供用戶共享文件的機制提供用戶共享文件的機制n管理文件的存儲介質(zhì)管理文件的存

16、儲介質(zhì)n提供文件的存取控制機制，保障文件及文件系統(tǒng)的提供文件的存取控制機制，保障文件及文件系統(tǒng)的安全性安全性n提供文件及文件系統(tǒng)的備份和恢復(fù)功能提供文件及文件系統(tǒng)的備份和恢復(fù)功能n提供對文件的加密和解密功能提供對文件的加密和解密功能嵌入式實時操作系統(tǒng)C/OS-II簡介nC/OS-II是一個搶占式實時多任務(wù)內(nèi)核。它是用ANSI的C語言編寫的，包含一小部分匯編語言代碼，使之可以提供給不同架構(gòu)的微處理器使用。n至今，從8位到64位，C/OS-II已經(jīng)在40多種不同架構(gòu)的微處理器上使用。n使用C/OS的領(lǐng)域包括：照相機行業(yè)、航空業(yè)、醫(yī)療器械、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、自動提款機以及工業(yè)機器人等。 嵌入式實時操作系統(tǒng)C/OS-II簡介nC/